与标准集成电路工艺兼容的硅基DBR激光器及其工艺

摘要

本发明涉及半导体发光器件技术领域，特别是一种与标准集成电路工艺兼容的硅基DBR激光器及其工艺。本发明采用SOI晶片为衬底，利用与标准集成电路工艺兼容的工艺制作，有源区采用PN结发光二极管结构，有源区两侧的无源区内分别设置DBR布拉格全反射器和DBR半反射器，构成谐振腔。

说明书

技术领域

本发明涉及半导体发光器件技术领域，特别是一种与标准集成电路工艺兼容的硅基DBR激光器及其工艺。

背景技术

随着标准集成电路工艺特征尺寸的迅速减小，器件的密度和费用得到很大改善。然而，电学互连线上的能量损耗及电磁干扰已经成为制约硅基微电子集成电路发展的瓶颈。光互连依据其在传输带宽、抗干扰能力及能量消耗上的明显优势，有望成为解决这一问题的有效途径。硅材料是微电子集成电路工艺的主要材料，在超大规模集成电路方面发挥了极为重要的作用。利用硅作为基本材料，采用成熟的标准集成电路工艺制作光电子器件和光电子集成回路，在成本上和工艺成熟度上具有无可比拟的优势，必将成为制作光电子芯片和解决电互连问题的首选方案。

与标准集成电路工艺兼容的硅基光发射器件是硅基光电子集成回路中的重要组成部分。由于该器件具有适于集成、成本低、易于大规模生产等优点，在下一代光互连系统中作为芯片间或芯片内部的光电接口具有非常广阔的应用前景。但是如何增强电光转换效率、制作适于集成的硅基光发射器件，是研究中需要解决的难题。本发明的与标准集成电路工艺兼容的硅基DBR激光器，是利用SOI晶片做衬底，在外延层上制作PN结发光二极管。二极管两侧分别制作分布布拉格反射镜，形成谐振腔。当达到阈值条件时，能实现有效的激光输出。而且该器件采用DBR作为谐振腔，结构上适合于与硅基光电子集成回路中其它器件实现集成。

发明内容

本发明的目的是提供一种与标准集成电路工艺兼容的硅基DBR激光器，其具有制作工艺成熟、成本低、适于集成、易于大规模生产等优点，在下一代光互连和全硅光学芯片中具有非常广阔的应用前景。

本发明采用SOI晶片为衬底，利用与标准集成电路工艺兼容的工艺制作，有源区采用PN结发光二极管结构，有源区两侧的无源区内分别设置DBR全反射器和DBR半反射器，构成谐振腔。

本发明是通过以下方法来实现的：

一种与标准集成电路工艺兼容的硅基DBR激光器，其特征是，采用SOI(Silicon-on-Insulator)晶片为衬底，利用与标准集成电路工艺兼容的工艺制作，有源区采用PN结发光二极管结构，有源区两端的无源区内分别制作分布布拉格(DBR，distributed Bragg reflector)全反射器和分布布拉格半反射器，构成谐振腔，包括：

一SOI衬底；

一PN结发光二极管，N⁺区做成折线结构，P⁺区为条形结构，N⁺区与P型外延层形成N⁺P结，N⁺区、P⁺区分别引出金属电极；

一DBR全反射器，利用光刻工艺在外延层上制作布拉格光栅全反射器，在光栅内部引入λ/4相移区；

一DBR半反射器，利用光刻工艺在外延层上制作布拉格光栅半反射器，用于与DBR强反射器形成谐振腔，输出激光；

硅基DBR激光器两侧分别制作隔离槽，可以在Y方向上进行光学限制，防止光信号泄露；

外层SiO₂层与SOI衬底的埋层SiO₂层在Z方向上进行光学限制，防止光信号泄露。

所述的与标准集成电路工艺兼容的硅基DBR激光器，PN结发光二极管，N⁺区做成折线结构，P⁺区为条形结构，N⁺区与P型外延层形成N⁺P结。

所述的与标准集成电路工艺兼容的硅基DBR激光器，外层SiO₂层与SOI衬底的埋层SiO₂层在Z方向上进行光学限制，防止光信号泄露。

所述的与标准集成电路工艺兼容的硅基DBR激光器，采用DBR全反射器和DBR半反射器做谐振腔，适合与硅基光电子集成回路中其它器件如硅基光波导/调制器、硅基光电探测器/接收机和微电子集成电路的集成。

附图说明

图1是与标准集成电路工艺兼容的硅基DBR激光器俯视图；

图2是与标准集成电路工艺兼容的硅基DBR激光器剖面图(A-A’)。图中未画出外层的SiO₂层和金属层；

图3是与标准集成电路工艺兼容的硅基DBR激光器剖面图(B-B’)。

具体实施方式

本发明是一种与标准集成电路工艺兼容的硅基DBR激光器及其工艺，其具体结构请参阅说明书附图，包括：

一SOI衬底；

一PN结发光二极管，N⁺区做成折线结构，P⁺区为条形结构，N⁺区与P型外延层形成N⁺P结，N⁺区、P⁺区分别引出金属电极；

一DBR全反射器，利用光刻工艺在外延层上制作布拉格光栅反射器，在光栅内部引入λ/4相移区；

一DBR半反射器，利用光刻工艺在外延层上制作布拉格光栅反射器，用于与DBR强反射器形成谐振腔，输出激光。

硅基DBR激光器两侧分别制作隔离槽，可以在Y方向上(如说明书附图所示)进行光学限制，防止光信号泄露。

外层SiO₂层与SOI衬底的埋层SiO₂层在Z方向上(如说明书附图所示)进行光学限制，防止光信号泄露。

本发明采用与标准集成电路工艺兼容的工艺，首先选择键合工艺制作的SOI晶片。要求晶片的SiO₂埋层为1μm，P型外延层厚度为2μm。在P型外延层上分别制作N⁺区和P⁺区，N⁺区设计成折线形状，如图1所示。采用刻蚀技术制作DBR反射器，结构如图1、图2所示。靠近P⁺区一侧的为DBR全反射器，在全反射器内部引入λ/4相移。靠近N⁺区一侧的为DBR半反射器，与DBR全反射器形成谐振腔，并输出激光。采用深反应离子刻蚀技术在硅基DBR激光器两侧刻蚀隔离槽，如图1和图3所示。

器件结构制作完成后，淀积外层SiO₂层。隔离槽可以在Y方向上进行光学限制，防止光信号泄露。同时，外层SiO₂层与SOI衬底的埋层SiO₂层在Z方向上(如说明书附图所示)进行光学限制，防止光信号泄露。利用光刻技术刻出引线孔，镀金属电极。P⁺区接金属电极1，为欧姆接触，如图2所示，该电极接地；N⁺区接金属电极2，该电极接正电压，N⁺区与P型外延层形成N⁺P二极管，在反向电压下将形成耗尽区，载流子发生辐射复合，便产生光子。该器件为横向工作模式，在外加电压下，载流子在X方向上移动，使产生的光沿X方向传播，在DBR全反射器和DBR半反射器形成的谐振腔内产生受激辐射放大，产生激光，经DBR半反射器输出。

本发明的与标准集成电路工艺兼容的硅基DBR激光器制作工艺，采用SOI晶片为衬底，利用与标准集成电路工艺兼容的工艺制作，有源区采用PN结发光二极管结构，有源区两端的无源区内分别制作分布布拉格全反射器和分布布拉格半反射器，主要工艺步骤如下：

(一)准备SOI晶片；

(二)长薄氧化层，淀积Si₃N₄；

(三)有源区光刻，刻出P⁺区和N⁺区；

(四)场区光刻，刻出场区注入孔，场区注入；

(五)长场氧，漂去SiO₂及Si₃N₄，然后长薄氧；

(六)P⁺区光刻，刻出P⁺区，硼注入，形成P⁺区；

(七)N⁺区光刻，刻出N⁺区，磷注入，形成N⁺区；

(八)光刻，刻出DBR光栅区域；

(九)在外延层上刻蚀DBR全反射器和DBR半反射器；

(十)长薄氧；

(十一)光刻，刻出隔离槽区域；

(十二)深刻蚀，刻出隔离槽；

(十三)淀积外层SiO₂层；

(十四)长PSG；

(十五)引线孔光刻；

(十六)铝引线光刻，镀铝电极；

其中，N⁺区掺杂浓度为1×10¹⁹cm^-3，P⁺区掺杂浓度为1×10¹⁹cm^-3。

所述的与标准集成电路工艺兼容的硅基DBR激光器制作工艺，制作有源区PN结发光二极管结构，无源区内制作DBR全反射器和DBR半反射器，制作硅基DBR激光器两侧隔离槽，均采用与标准集成电路工艺兼容的工艺。

所述的与标准集成电路工艺兼容的硅基DBR激光器制作工艺，DBR全反射器，利用光刻工艺在外延层上制作DBR全反射器，在光栅内部引入λ/4相移区。

所述的与标准集成电路工艺兼容的硅基DBR激光器制作工艺，DBR半反射器，利用光刻工艺在外延层上制作DBR半反射器，用于与DBR强反射器形成谐振腔，输出激光。

所述的与标准集成电路工艺兼容的硅基DBR激光器制作工艺，硅基DBR激光器两侧分别制作隔离槽，可以在Y方向上进行光学限制，防止光信号泄露。